機(jī)床的工業(yè)設(shè)計(jì)

1、.機(jī)床的工業(yè)設(shè)計(jì)1.1概述我國(guó)機(jī)床業(yè)界普遍存在一種觀點(diǎn)，認(rèn)為機(jī)床的價(jià)值僅由其加工能力和效率決定。因此，機(jī)床制造商對(duì)其機(jī)床產(chǎn)品進(jìn)展工業(yè)設(shè)計(jì)，往往模仿消費(fèi)品制造業(yè)的作風(fēng)，在機(jī)床產(chǎn)品機(jī)械設(shè)計(jì)工作完成后，再對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)展局部修飾和外觀美化。無(wú)可否認(rèn)，美是工業(yè)設(shè)計(jì)的一局部，回憶工業(yè)革命時(shí)期的歷史可以發(fā)現(xiàn)，機(jī)械產(chǎn)品的外觀造型，曾經(jīng)是英法兩國(guó)進(jìn)展市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的重要手段，可以說(shuō)當(dāng)年機(jī)械產(chǎn)品的外觀設(shè)計(jì)需求參與促成了工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)的誕生。事實(shí)上，現(xiàn)代的工業(yè)設(shè)計(jì)除了保證產(chǎn)品的美觀以外，也通過(guò)研究和利用各種人的因素Human Factors，創(chuàng)造獨(dú)特、鮮明、有實(shí)用價(jià)值的產(chǎn)品特色，提高自身產(chǎn)品在同類產(chǎn)品之間的競(jìng)爭(zhēng)力。一項(xiàng)工業(yè)

2、產(chǎn)品的成功是多種因素綜合的結(jié)果，除了產(chǎn)品硬件和軟件的各種技術(shù)因素以外，市場(chǎng)評(píng)論、購(gòu)置者、使用者和維護(hù)者的人為因素，同樣對(duì)產(chǎn)品的成敗舉足輕重。1購(gòu)置者對(duì)機(jī)床設(shè)計(jì)的影響。雖然客戶在選購(gòu)產(chǎn)品的最初階段會(huì)相當(dāng)理性地收集有關(guān)產(chǎn)品數(shù)據(jù)，進(jìn)展比照、計(jì)量和分析，將待選產(chǎn)品按優(yōu)劣排序，再做出決策。但由于待選產(chǎn)品“魚與熊掌，各有所長(zhǎng)，產(chǎn)品間的多元差異往往難以單一地以優(yōu)劣來(lái)歸納，產(chǎn)品排行榜的作用經(jīng)常被其他感性因素所削弱甚至取代。因此，要在機(jī)床裝備市場(chǎng)中奪得客戶，光靠提升產(chǎn)品的技術(shù)參數(shù)讓產(chǎn)品進(jìn)占產(chǎn)品排行榜的前列并缺乏夠，還必須要訴諸人的感性因素，爭(zhēng)取在客戶的心中留下鮮明、正面的品牌形象。近年，工業(yè)設(shè)計(jì)正逐步開(kāi)展為涵蓋

3、美學(xué)、認(rèn)知心理學(xué)、生理學(xué)、工程學(xué)的跨學(xué)科專業(yè)，并且隨著感性工程Kansei Engineering、產(chǎn)品語(yǔ)意分析Product Semantics等工具的實(shí)踐應(yīng)用，工業(yè)設(shè)計(jì)師可以客觀、實(shí)證地調(diào)節(jié)機(jī)床形體、細(xì)節(jié)、色彩的組合，有效地激起購(gòu)置者對(duì)機(jī)床產(chǎn)生高技術(shù)、穩(wěn)重、平安、耐用、寧?kù)o等聯(lián)想。2使用者和維護(hù)者對(duì)機(jī)床設(shè)計(jì)的影響。機(jī)床是現(xiàn)代制造系統(tǒng)的主體組成局部。隨著信息技術(shù)的融入，機(jī)床操作者的體力勞動(dòng)逐步減少，知識(shí)含量增多。與此同時(shí)，隨著社會(huì)普遍對(duì)職業(yè)安康的重視，加上機(jī)床操作者日趨知識(shí)化、專業(yè)化，人們對(duì)操作機(jī)床的舒適度要求大為提高，不單要求操作平安、省力，也要方便、清潔、明亮、安靜。過(guò)去只考慮操控面板高

4、度，工作臺(tái)深度等人體工學(xué)因素，已遠(yuǎn)不能滿足今天機(jī)床操作者的要求，工業(yè)設(shè)計(jì)也開(kāi)場(chǎng)兼顧人機(jī)界面設(shè)計(jì)、可接近性、可維護(hù)性等要素?；谝陨显颍I(yè)設(shè)計(jì)界認(rèn)為，機(jī)電產(chǎn)品與一般消費(fèi)品一樣，技術(shù)因素與人的因素均不具凌駕性，外觀設(shè)計(jì)并非機(jī)械設(shè)計(jì)完成后的修飾工作，而可制造性設(shè)計(jì)也不是服膺于外觀設(shè)計(jì)的本錢控制手段?，F(xiàn)代工業(yè)設(shè)計(jì)應(yīng)該在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的最初階段，同時(shí)將機(jī)床的形象特征以及人、機(jī)、人機(jī)交互的影響因素都清晰羅列，找出滿足市場(chǎng)多樣化需求的平衡點(diǎn)和側(cè)重點(diǎn)，以開(kāi)辟無(wú)競(jìng)爭(zhēng)或少競(jìng)爭(zhēng)的“藍(lán)海市場(chǎng)空間。2機(jī)床的品牌和家族化機(jī)床的品牌形象并非單純的名稱、商標(biāo)和色彩組合，而是在客戶心中的所有影響購(gòu)置決策的感性因素的綜合。以瑞典的

5、機(jī)器人品牌Kuka為例，其營(yíng)造品牌形象方面的策略是：向客戶傳遞產(chǎn)品特征信息，令Kuka產(chǎn)品在客戶心中皆能營(yíng)造如下4種感受：可信Credibility、完整Integrity、一致Consistency和實(shí)在Authenticity。2.1產(chǎn)品的“家族化通過(guò)制訂本集團(tuán)統(tǒng)一的外觀風(fēng)格來(lái)維持機(jī)床品牌的完整性和一致性，構(gòu)成產(chǎn)品“家族是全球機(jī)床行業(yè)對(duì)工業(yè)設(shè)計(jì)作用的根本運(yùn)用模式。近幾年來(lái)，德國(guó)的德馬吉、Schleifring、美國(guó)的MAG、瑞士的GF AgieChamiles以及XX機(jī)床等集團(tuán)在聯(lián)合、重組后，均借助統(tǒng)一旗下機(jī)床產(chǎn)品的商標(biāo)和配色、統(tǒng)一造型元素的組合規(guī)律等措施，令不同用途、不同規(guī)格和體型的機(jī)床

6、產(chǎn)品展現(xiàn)“家族化的外觀風(fēng)格，到達(dá)區(qū)別于其他企業(yè)、提升本集團(tuán)市場(chǎng)形象的目的。例如，德國(guó)的德馬吉公司原是Dekel、Maho和Gildemeister 3家公司，產(chǎn)品不同，風(fēng)格各異。2007年EMO 展覽會(huì)德馬吉推出“New DMG Design的機(jī)床工業(yè)設(shè)計(jì)方案，在參展意見(jiàn)調(diào)查中，取得了評(píng)價(jià)“好和“非常好達(dá)85.7的優(yōu)異成績(jī)。該設(shè)計(jì)方案涵蓋了外觀語(yǔ)言、人機(jī)界面、人體工程3個(gè)方面。其中最為鮮明的設(shè)計(jì)特征是：采用大倒圓邊角，白底粗黑框觀察窗，垂直指示燈條的外觀語(yǔ)言，將不同類型的機(jī)床“家族化，如圖1所示。德馬吉公司為了到達(dá)令人耳目一新的效果，采用曲面沖壓等前期投入較高、機(jī)床行業(yè)以往很少采用的加工手段來(lái)

7、制作機(jī)床外罩殼，并在以后的新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中沿用。在德馬吉的示X作用下，鮮明外觀成為機(jī)床產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)要素，諸多國(guó)際品牌，如日本的馬扎克、天田等公司皆為了營(yíng)造外觀特色而參加一些裝飾性強(qiáng)，但生產(chǎn)相對(duì)困難，本錢較高的外罩殼部件。借助造型元素的組合規(guī)律實(shí)現(xiàn)機(jī)床產(chǎn)品家族化外觀的另一個(gè)例子是GF AgieChamilesGFAC公司。集團(tuán)旗下?lián)碛邪娀鸹庸C(jī)、線切割機(jī)、加工中心、激光紋理加工機(jī)床多種產(chǎn)品，這些機(jī)床的體型差異較大，單靠配色和圖案很難營(yíng)造產(chǎn)品的“家族感。該集團(tuán)的處理方法是，巧妙地在機(jī)床部件的結(jié)合部和拐角處加上橙色垂直邊條和門把，以最有限的改動(dòng)實(shí)現(xiàn)了不同產(chǎn)品外觀的統(tǒng)一，如圖2所示。機(jī)床產(chǎn)品取得客戶的

8、認(rèn)同是成年累月品牌形象建立的結(jié)果。因此一個(gè)被客戶認(rèn)同的機(jī)床品牌并購(gòu)了其他品牌后，在統(tǒng)一外觀語(yǔ)言的同時(shí)，必須保證原品牌的正面形象能夠盡量轉(zhuǎn)移到新品牌內(nèi)。以GFAC并購(gòu)Mikron高速加工中心品牌為例，GFAC保存Mikron機(jī)床產(chǎn)品的總體構(gòu)造配置，外形、門窗比例等特征，僅增加橙色垂直邊條和門把，最大限度地保持了Mikron品牌多年成功塑造的形象。XX機(jī)床集團(tuán)是我國(guó)較為重視品牌形象的機(jī)床企業(yè)之一，2021年XX機(jī)床推出“新5類產(chǎn)品，將立式和臥式加工中心、CAK和HTC數(shù)控車床和鏜床等5類產(chǎn)品進(jìn)展家族化，統(tǒng)一集團(tuán)的產(chǎn)品形象，如圖3所示。2.2產(chǎn)品家族的拓展擁有龐大機(jī)床產(chǎn)品家族的企業(yè)，常會(huì)將不同產(chǎn)品族

9、的機(jī)床，按其檔次橫向綜合成為產(chǎn)品群，分別面向不同消費(fèi)能力的客戶，防止內(nèi)耗。因此，工業(yè)設(shè)計(jì)在確保旗下機(jī)床產(chǎn)品外觀統(tǒng)一的同時(shí)，還需要利用外觀設(shè)計(jì)來(lái)區(qū)分產(chǎn)品家族內(nèi)不同分支，以突出產(chǎn)品群的特點(diǎn)和檔次。德馬吉公司近年新推出的Lasertec 65Sharp和Lasertec 40 激光加工機(jī)床是外觀風(fēng)格家族分支的典型例子。兩款激光加工機(jī)床與DMU40加工中心都是采用“New Design設(shè)計(jì)語(yǔ)言，但表現(xiàn)形式卻不一樣，如圖4所示。從圖中可見(jiàn)，Lasertec40雖然使用和DMU40一樣的弧形拉門，但垂直綠色條形指示燈從拉門左面移到右面，門上的觀察窗改小，原來(lái)印在窗沿的大黑框由一塊不等邊的黑色飾件模仿替代，

10、同時(shí)使用較小的觀察窗。一方面，因?yàn)長(zhǎng)asertec40裝有內(nèi)置攝像頭，可以把加工過(guò)程在控制臺(tái)顯示屏播放，操作者不必直接通過(guò)觀察窗觀看加工過(guò)程。另一方面，激光是一種高能束，可能會(huì)對(duì)人的眼睛有所傷害，小窗口讓人感到更加平安。此外，激光加工設(shè)備一直都是機(jī)床領(lǐng)域的邊緣產(chǎn)品，市場(chǎng)預(yù)期的激光加工機(jī)床特征應(yīng)有別一般機(jī)床產(chǎn)品。Lasertec40設(shè)計(jì)特點(diǎn)是采用不等邊黑窗框，其大弧線加強(qiáng)了機(jī)床的動(dòng)態(tài)，也使機(jī)床外觀更像實(shí)驗(yàn)儀器和辦公用品，以符合市場(chǎng)的心理取向的同時(shí)保存了一樣的外觀基因。Lasertec 65Sharp是DMG和MoriSeiki結(jié)為伙伴后的新設(shè)計(jì)，在外觀色彩上做了改良，在綠色的兩側(cè)加紅色帶，在前面

11、加上紅色光束線條，突出激光的特點(diǎn)。其余的外觀特征那么處于Lasertec40和DMU40之間，這是由于Lasertec 65采用了大局部DMU40加工中心的構(gòu)造和外殼組件，而在觀察窗的裝飾線條運(yùn)用上卻打破了DMU40加工中心的矩形線條，沿用了Lasertec20的不等邊黑窗框。3.1機(jī)床的操作因素多軸和復(fù)合加工機(jī)床等新型機(jī)床的人機(jī)工程設(shè)計(jì)是一個(gè)新課題。多軸和復(fù)合加工機(jī)床在人體工效方面與以往機(jī)床不同之處在于：加工過(guò)程中的工件裝夾操作次數(shù)減少，但工件外表不僅加工位置數(shù)量多、且形狀復(fù)雜，導(dǎo)致加工過(guò)程所需的刀具多，編程和調(diào)整對(duì)刀時(shí)間長(zhǎng)。操作者要長(zhǎng)時(shí)間在控制臺(tái)、工作臺(tái)和刀庫(kù)之間反復(fù)走動(dòng)，而且在加工過(guò)程中

12、，刀具和工件要進(jìn)展復(fù)雜的空間運(yùn)動(dòng)，操作者的視野經(jīng)常受阻，增加監(jiān)控的困難。在改善操作者的視野方面，一般多軸機(jī)床的做法，除了在機(jī)床布局方面采用搖籃式和臺(tái)中臺(tái)式雙轉(zhuǎn)臺(tái)外，也會(huì)采用配大面積觀察窗的直角雙拉門和弧形拉門，取代常規(guī)的單面拉門，讓操作者可以從更寬的角度接近加工空間。最近，德國(guó)Fehlmann公司那么更進(jìn)一步，推出3面門布局的Piax 825 Versa機(jī)床。該機(jī)床獨(dú)特的T型機(jī)體布局，讓加工空間成為一個(gè)可以讓操作者從3面接近的“半島，大大方便了更換刀具、工件裝夾和加工過(guò)程監(jiān)控。此外，數(shù)控操作臺(tái)可以旋轉(zhuǎn)180°，操作者走動(dòng)很短距離就可以輕松地完成工件裝卸、更換刀具和對(duì)刀等全部操作，如圖

13、5所示圖中虛化的操作者表示可從不同位置操作和調(diào)整機(jī)床。在大型和重型機(jī)床方面，由于操作臺(tái)與工件或刀具之間距離較遠(yuǎn)，僅僅改善操作者的視野已缺乏夠，還需要讓操作者可以接近工件和刀具。例如，意大利Mecof公司的Mecmill Plus落地鏜銑床在人機(jī)工程方面的考慮十分充分，其升降式操控臺(tái)前方裝設(shè)了活動(dòng)移門和帶欄柵的“陽(yáng)臺(tái)，這一布局設(shè)計(jì)可大大方便操作者的對(duì)刀。在機(jī)床加工工件時(shí)，縮進(jìn)“陽(yáng)臺(tái)、關(guān)閉移門，以保護(hù)操作者的平安，如圖6所示。除了金屬切削機(jī)床外，成形機(jī)床的操作也逐步向精細(xì)、長(zhǎng)時(shí)間操作方向開(kāi)展，諸多知名企業(yè)正進(jìn)一步地通過(guò)工業(yè)設(shè)計(jì)改善旗下產(chǎn)品的操作條件，減少操作者疲勞。例如，德國(guó)Boschert、Fi

14、nn Power、Trumpf公司的小型折彎?rùn)C(jī)都在機(jī)床前方加設(shè)工作桌，并在機(jī)床上方加設(shè)照明燈，方便操作者坐在機(jī)床前操作，如圖7所示。4.1機(jī)床的維護(hù)因素“5S管理是配合精益生產(chǎn)的現(xiàn)場(chǎng)管理手段，為了配合實(shí)施5S管理的用戶，機(jī)床的工作環(huán)境設(shè)計(jì)也進(jìn)展了許多改良。例如，過(guò)去許多機(jī)床的輔助設(shè)備，包括變壓器、排屑器、冷卻器等，都分散放置在機(jī)床周圍，這些設(shè)備加上連接的管線，不但阻塞通道，也增加清掃的困難，不利于車間貫徹5S管理的“整頓、“清掃原那么。新一代的機(jī)床都把輔助設(shè)備盡量整合到機(jī)床內(nèi)，保持機(jī)床周邊平整、光滑，令車間更整潔、暢通和明亮。排屑是機(jī)床工業(yè)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。長(zhǎng)期以來(lái)，機(jī)床的排屑主要依靠重力，在重

15、力作用下，大局部切屑因堆積得過(guò)高而自然掉落在機(jī)床底盤上，再由螺旋排屑器絞走，這種方式只能做到切屑的點(diǎn)管理，而不能做到面管理。在高速和復(fù)合加工時(shí)，切屑量大且排出路徑復(fù)雜。容易附在加工空間中的各種外表上，如拉門的觀察窗、工件的已加工外表、在線測(cè)量裝置等，因而容易導(dǎo)致切屑進(jìn)入刀套、主軸、對(duì)刀鏡頭等對(duì)污染敏感的區(qū)域，嚴(yán)重影響加工精度和工具壽命。經(jīng)常性的人工清洗，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，也影響加工節(jié)奏。為了改善切屑污染問(wèn)題，提高機(jī)床內(nèi)部的干凈度，德馬吉公司在機(jī)床內(nèi)部增加了假設(shè)干切屑冷卻液噴淋點(diǎn)，除了電主軸外圍的一圈噴頭外，機(jī)床內(nèi)壁頂部還裝有一排噴頭，沿門框噴淋，如圖8所示。這排噴頭所產(chǎn)生的冷卻液瀑布流經(jīng)機(jī)床的弧形

16、防護(hù)門，帶走防護(hù)門上方和防護(hù)門觀察窗外表的所有切屑，確保換刀過(guò)程中刀柄不會(huì)被切屑污染。在冷卻液的清洗下，機(jī)床的工作臺(tái)和工件經(jīng)常保持干凈，不單節(jié)約操作員的清理的時(shí)間，也降低在工件后續(xù)加工過(guò)程中刮傷已加工的、高光潔外表的風(fēng)險(xiǎn)。冷卻液噴淋雖然能將機(jī)床內(nèi)部清洗干凈，但同時(shí)對(duì)機(jī)床外殼的防漏帶來(lái)更高的要求，一般的機(jī)床外殼接合和拉門設(shè)計(jì)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能保證在這種噴淋過(guò)程中依然滴水不漏，因此，德馬吉New Design在防漏方面采取了很多加強(qiáng)措施。New Design旋轉(zhuǎn)門的門邊細(xì)節(jié)如圖9所示。從圖中右圖可見(jiàn)，門邊設(shè)計(jì)了一道帶翻邊的寬門唇，與圖左的雙層門框配合，形成雙重迂回的門縫，不單完全阻擋冷卻液溢出，也有助隔絕

17、噪音，提升切削時(shí)的環(huán)境平安。由于DMG DMU 40加工中心內(nèi)部空間大、密封性好，有困住操作員、維修員的危險(xiǎn)因素，因此機(jī)床內(nèi)靠近電門鎖處裝設(shè)有緊急解鎖裝置，如圖9左圖所示過(guò)去設(shè)計(jì)機(jī)床時(shí)，因經(jīng)常為方便布置而將維護(hù)點(diǎn)分布在機(jī)床多處。此舉不單容易導(dǎo)致生產(chǎn)和維護(hù)活動(dòng)互相干擾，也令機(jī)床的日常維護(hù)流程冗長(zhǎng)繁復(fù)，易生錯(cuò)漏，不利于車間貫徹“清潔原那么。新一代的機(jī)床工業(yè)設(shè)計(jì)把所有日常維護(hù)點(diǎn)都集中機(jī)床前方。以Mikron機(jī)床為例，操作員只需站在維護(hù)面板前，機(jī)床的各氣壓、油壓和油量即一目了然，便于調(diào)節(jié)和維護(hù)，如圖10所示5.1培訓(xùn)與排障的因素對(duì)機(jī)床全壽命本錢的分析發(fā)現(xiàn)，操作者培訓(xùn)和機(jī)床維護(hù)的花費(fèi)在機(jī)床總本錢中占相當(dāng)

18、高的比例。工業(yè)設(shè)計(jì)通過(guò)令機(jī)床更容易使用和排除故障，能有效地降低機(jī)床在培訓(xùn)和維護(hù)的開(kāi)支，提升機(jī)床的競(jìng)爭(zhēng)力。在便于使用和排除故障方面，圖11所示的美國(guó)WARDJet公司的X-Classic操作臺(tái)是典型的例子。X-Classic是基于微機(jī)的控制系統(tǒng)，引入商用計(jì)算機(jī)的成熟技術(shù)，包括遠(yuǎn)端控制、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、瀏覽器、視頻會(huì)議等。由于輔助功能眾多，使用兩臺(tái)平面顯示器。從圖中可見(jiàn)，WARDJet的Web-Ex視頻通信系統(tǒng)讓機(jī)床制造商的技術(shù)支持人員可以向客戶提供即時(shí)支持。通過(guò)Web-Ex，WardJet可以對(duì)切割機(jī)實(shí)施遙控操作，查找故障。此外，Web-Ex的VOIP (Voice Over Internet Protocol) 功能，也可讓操作者在操控臺(tái)前在線聯(lián)系WardJet技術(shù)支持人員。為了方便用戶企業(yè)進(jìn)展員工培訓(xùn)，一些機(jī)床更推出了針對(duì)性的輔助套件。圖12所示是德國(guó)SPINNER公司為用戶進(jìn)展機(jī)床操作培訓(xùn)而推出的第2屏幕套件。該套件包括一臺(tái)攝像頭和一面42英寸大屏幕，屏幕裝設(shè)在機(jī)床左上角，方便學(xué)員聚攏觀看，攝像頭裝置在機(jī)床內(nèi)，將機(jī)床操作的畫面輸出到屏幕上，